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PROYECTO FINAL DE CARRERA PROCESOS DE SOLDADURA APLICADOS EN LA CONSTRUCCION NAVAL Autor: José Martín Guivernau Director: Jordi Torralbo Gavilán Ingeniería Técnica Naval en Propulsión y Servicios del buque Octubre, 2011 Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval I ÍNDICE 0. MOTIVACIONES ........................................................................................... III 1. PRESENTACIÓN HISTORICA ....................................................................... 1 2. TERMINOS Y DEFINICIONES DE SOLDADURA .......................................... 3 3. SIMBOLOGIA DE LA SOLDADURA ............................................................. 15 4. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA ......................... 21 4.1 Clasificación EN ISO 4063 ...................................................................... 21 4.2 Clasificación AWS ................................................................................... 23 5. PAUTAS PARA ELECCION SISTEMATICA DE UN PROCESO DE SOLDEO ......................................................................................................................... 25 5.1. Material base ......................................................................................... 25 5.2. Tamaño y complejidad de la soldadura .................................................. 25 5.3. Lugar de fabricación .............................................................................. 26 5.4. Estimación de costes ............................................................................. 26 5.5. Aplicaciones ........................................................................................... 26 5.6. Capacitación de soldadores ................................................................... 27 6. DESCRIPCION DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA MÁS UTILIZADOS EN CONTRUCCION NAVAL ............................................................................ 28 6.1. Soldeo por arco con electrodo revestido ................................................ 28 6.1.1. Principios del proceso ..................................................................... 28 6.1.2. Parámetros de soldeo ..................................................................... 29 6.1.3. Equipo de soldeo............................................................................. 34 6.1.4. Tipos de electrodos ......................................................................... 35 6.1.5. Funciones del revestimiento ............................................................ 36 6.1.6. Tipos de revestimiento .................................................................... 39 6.1.8. Técnicas operativas ........................................................................ 43 6.1.9. Ventajas y limitaciones del proceso ................................................. 44 6.1.10. Aplicaciones .................................................................................. 45 6.2. Soldeo por arco con gas inerte y electrodo de volframio ....................... 45 6.2.1. Principios del proceso ..................................................................... 45 6.2.2. Parámetros de soldeo ..................................................................... 47 6.2.3. Equipo de soldeo............................................................................. 50 6.2.4. Electrodos no consumibles ............................................................. 54 6.2.5. Consumibles ................................................................................... 56 6.2.6. Técnicas operativas ........................................................................ 60 6.2.7. Ventajas y limitaciones del proceso ................................................. 65 6.2.8. Aplicaciones .................................................................................... 66 6.3. Soldadura por arco metálico con protección de gas (GMAW) ............... 68 6.3.1. Principios del proceso ..................................................................... 68 6.3.2. Tipos de transferencia. .................................................................... 69 Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval II 6.3.3. Equipo MIG/MAG............................................................................. 75 6.3.4. Variables del proceso ...................................................................... 78 6.3.5. Gases de protección ....................................................................... 81 6.3.6. Consumibles ................................................................................... 82 6.3.7. Ventajas y limitaciones del proceso. ................................................ 83 6.3.8. Aplicaciones .................................................................................... 84 6.4. Soldadura con alambre tubular con flux interior (FCAW) ...................... 85 6.4.1. Principios del proceso ..................................................................... 85 6.4.2. Alambres tubulares .......................................................................... 86 6.4.3. Tipos de flux .................................................................................... 87 6.4.4. Transferencia de metal .................................................................... 87 6.4.5. Gases de protección ....................................................................... 87 6.4.6. Variables del proceso ...................................................................... 87 6.4.7. Ventajas y limitaciones del proceso ................................................. 88 6.4.8. Aplicaciones .................................................................................... 88 6.5. Soldeo por arco de plasma (PAW) ......................................................... 89 6.5.1. Principios del proceso ..................................................................... 89 6.5.2. Modos de operación del plasma ..................................................... 91 6.5.3. Variables del proceso ...................................................................... 92 6.5.4.- Consumibles .................................................................................. 93 6.5.5. Equipo de soldeo............................................................................. 94 6.5.6. Ventajas y limitaciones del proceso ................................................. 95 6.5.7. Aplicaciones .................................................................................... 96 6.6. Soldeo oxi-acetilénico (OAW) ................................................................ 96 6.6.1. Principios del proceso ..................................................................... 96 6.6.2. Gases .............................................................................................. 97 6.6.3. Llama oxi-acetilénica ....................................................................... 97 6.6.4. Equipo de soldadura ..................................................................... 101 6.6.5. Varillas de aportación y fundentes ................................................. 106 6.6.6. Técnicas operativas ...................................................................... 107 6.6.7. Ventajas y limitaciones del proceso ............................................... 108 6.6.8. Aplicaciones .................................................................................. 109 6.7. Soldeo por arco sumergido .................................................................. 109 6.7.1. Principios del proceso ................................................................... 109 6.7.2. Productos de aporte. ......................................................................111 6.7.3. Características y propiedades del metal depositado ...................... 115 6.7.4. Equipo de soldeo............................................................................ 119 6.7.6. Aplicaciones .................................................................................. 121 7. CONCLUSIONES ....................................................................................... 123 8. AGRADECIMIENTOS ................................................................................. 124 9. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................... 125 10. LISTA DE FIGURAS ................................................................................. 126 Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval III 0. MOTIVACIONES Ya desde comienzos de la carrera sabía que me quería dedicar profesionalmente a la inspección, pero por aquel entonces aun no tenía claro en que campo concretamente. Con la realización de las asignaturas de tecnología mecánica y construcción naval, con Joaquim Verdiell/Jordi Torralbo y Vicente Saenz como profesores respectivamente, en las cuales vimos en detalle todo lo relacionado con la soldadura e incluso pudimos conocerla de más cerca soldando nosotros mismos, vi claramente mi vocación por todo lo relacionado con el mundo de la soldadura. Gracias a todo lo que hemos visto en la facultad con lo relacionado a la soldadura ha despertado mi interés y pasión sobre ella, tanto es así, que además estoy cursando un máster de soldadura para ampliar mis conocimientos sobre el tema. También, gracias a todo esto, tengo una motivación extra a la hora de la realización del proyecto final de carrera, que no solo es que me guste el tema y disfrutar su realización, sino que también quiero que me aporte lo máximo posible para mí, y para mi vida profesional. Por todo esto, la realización del proyecto me ha aportado más conocimientos mejorando así en el campo de la soldadura, los cuales han complementado los recibidos durante el transcurso de la carrera de Ingeniería Técnica Naval. Llegado el momento de la realización del proyecto final de carrera, decidí optar, evidentemente, por el tema que me gustase más y que me sirviera de algo en un futuro, de este modo el tiempo invertido en la realización del proyecto tendría realmente valor para mí y para mi director de proyecto. Ese tema era la soldadura, el tema que había despertado mi pasión en la facultad de náutica de Barcelona. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 1 1. PRESENTACIÓN HISTORICA Es muy probable que el hombre desde sus primeros contactos con los metales, el oro y cobre, sintiese la necesidad constructiva de unir unas piezas metálicas a otras. No debió resultarle difícil conseguirlo con el oro, pues debido a su ductilidad y a que no forma óxidos superficiales es fácilmente soldable por martilleado a temperatura ambiente. Por esta técnica fueron construidas un grupo de cajas de oro, de aproximadamente 5cms. de diámetro, datadas del final de la Edad de Bronce (1300-700 a.C.). Mayor dificultad debió encontrarse en el soldeo de la plata por percusión, ya que necesita calentarse hasta 500ºC y trabajarla sobre un yunque para conseguir la unión. Los objetos encontrados de plata, soldados por esta técnica, se sitúan en los siglos IV-V a. de C. El soldeo fuerte se utilizó desde tiempos muy tempranos. A juzgar por los objetos llegados hasta nosotros los orfebres sumerios del 2.700 a. de C. eran capaces de llevar a cabo esta clase de soldaduras. Parece ser que también los egipcios utilizaron este proceso para unir con plata fundida los tubos de cobre de la tumba de Herpheres. El soldeo del hierro y del acero por forja no tuvo más limitación que la temperatura que es necesario alcanzar, por encima de 1000ºC, para que adquiera el estado pastoso. Una vez en este estado se ponen en contacto las superficies a unir y se golpean, los golpes expulsan el óxido de la unión y se produce el contacto íntimo de los cristales limpios de ambas caras, que así se entrelazan. Existen evidencias de que el hombre soldó el hierro por forja desde los primeros tiempo de la Edad de Hierro y éste fue uno de los procedimientos que utilizaron los romanos para fabricar sus espadas. No volvió a recuperar el soldeo su importancia hasta que en las postrimerías del siglo XIX y principios del XX se hizo posible el soldeo por fusión, al disponerse industrialmente de fuentes caloríficas suficientemente intensas como para producir una fusión localizada de los bordes a unir. De esta forma nacen el soldeo oxiacetilénico, por arco eléctrico y por resistencia. El soldeo por llama se desarrolló cuando fueron posibles el abastecimiento a escala industrial de oxígeno, hidrógeno y acetileno a precio accesibles, se inventaron los sopletes adecuados y se desarrollaron las técnicas de almacenamiento de dichos gases. En el año 1916 el soldeo oxiacetilénico era ya un proceso completamente desarrollado, capaz de producir soldaduras por fusión de calidad en chapas finas de acero, aluminio y cobre desoxidado, existiendo sólo Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 2 ligeras diferencias con los procesos utilizados en la actualidad. El arco eléctrico fue descubierto por Sir Humphrey Davy en 1.801 y presentado en el Royal Institute de Inglaterra en 1.808. el descubrimiento permaneció durante muchos años como una mera curiosidad científica, hasta el punto que el propio Davy no aplicó el término “arco” al fenómeno hasta veinte años después. En estos primeros tiempos, el soldeo por arco se utilizó fundamentalmente en la reparación de piezas desgatadas o dañadas. No fue hasta la Primera Guerra Mundial que empezó a ser aceptada como técnica de unión en la construcción. En la actualidad, los desarrollos tecnológicos se centran en la aplicación de la microelectrónica y de la informática, para un mejor control del arco y de los parámetros de soldeo. Más que la aparición de nuevos procesos, se está consiguiendo la ampliación del campo de aplicación de los ya existentes a nuevos materiales no metálicos y a aleaciones metálicas hasta ahora difícilmente soldables, sin olvidar la mecanización, automatización, robotización y control de los procesos mediante ensayos no destructivos y registro de los parámetros en tiempo real. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 3 2. TERMINOS Y DEFINICIONES DE SOLDADURA El objetivo primordial de este glosario es el de ayudar a la comprensión de los siguientes procesos de soldadura tratados en este trabajo. Hay que tener en cuenta que solo aparecen términos genéricos y sus definiciones. Para hacer más útil este glosario, los términos están ordenados alfabéticamente como un diccionario tradicional. Alambre de soldeo: material de aportación obtenido por trefilado y suministrado generalmente enrollado, formando bobinas. Ángulo bisel: ángulo formado entre el borde recto preparado de una pieza y un plano perpendicular a la superficie de la misma. Ángulo de chaflán: véase ángulo de bisel. Ángulo de trabajo: ángulo que mide la inclinación del electrodo con respecto al plano perpendicular que contiene el cordón de soldadura. Anillo soporte: soporte anular para el cordón de soldadura, utilizado generalmente en el soldeo de tuberías. Atmosfera protectora: entorno de gas protector, que rodea parcial o totalmente la pieza a soldar, cortar o proyectar térmicamente, con características controladas de composición química, punto de rocío, presión,etc. Entre otros ejemplos están: los gases inertes, hidrocarburos, hidrogeno, vacio, etc. Baño de metal fundido: estado liquido previo de una soldadura, que posteriormente solidificara para formar la unión. Bisel: tipo de preparación de borde en forma angular. Boquilla de pistola: parte extrema de la pistola de soldar o cortar, por donde salen los gases. Cualificación del procedimiento: conjunto de acciones tendentes a comprobar que las uniones soldadas, realizadas por un determinado procedimiento pueden cumplir unas normas específicas. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 4 Cualificación del soldador: demostración de la habilidad de un soldador para realizar soldaduras cumpliendo normas establecidas. Cara de la soldadura: superficie final de la soldadura por el lado en que fue realizada. Certificación de soldador: testimonio por escrito de que un soldador ha demostrado su capacidad para soldar, cumpliendo normas establecidas. Ciclo térmico: variaciones de la temperatura, entre límites determinados, a que se somete un producto en función del tiempo. Conjunto soldado: grupo de piezas unidas mediante soldadura. Cordón de soldadura: metal aportado en una pasada. Corriente de soldeo: corriente eléctrica que circula por el circuito de soldeo durante la realización de una unión soldada. En el soldeo por resistencia no se incluye, en este concepto, la corriente utilizada durante los intervalos de pre y postsoldadura. En el soldeo automático por arco, se excluye la corriente utilizada durante el inicio, ascenso, descenso y rellenado de cráter. Corte oxiacetilénico: proceso de corte para separar metales, mediante la reacción química entre el oxigeno y el metal base a temperaturas elevadas. La temperatura necesaria se mantiene mediante la llama resultante de la combustión del acetileno con el oxigeno. Corte por arco: nombre genérico para procesos de corte, que funden los metales a cortar con el calor del arco eléctrico entre un electrodo y el metal base. Corte por arco-aire: proceso de corte por arco, en el cual los metales son fundidos por el calor del arco eléctrico, que se establece entre el electrodo de un grafito y el metal a cortar. La parte fundida es expulsada por un chorro de aire. Corte por plasma: proceso de corte por arco que separa el metal, mediante la fusión de una zona localizada por un arco restringido y expulsándose el metal fundido por la inyección a alta velocidad de un gas caliente e ionizado, que sale por el orificio de la tobera de corte. Corte térmico: nombre genérico para procesos de corte, en los que se funde el metal o material al ser cortado. Cráter: en el soldeo por arco, la depresión al final del cordón de soldadura o del baño de fusión. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 5 Defecto: discontinuidad o discontinuidades que por si o por efecto acumulativo, pueden hacer que una pieza o producto no alcance las especificaciones o valores mínimos de aceptación. Dilución: cantidad de metal base o/y de metal depositado previamente que se incorporan al baño de fusión, modificando, en su caso, la composición química del metal de aportación. Se expresa habitualmente en porcentajes, que representan la cantidad relativa del metal base o del metal depositado previamente que se incorpora al baño de fusión. Dimensión de la soldadura: medidas del cordón de soldadura, especificadas en función del tipo de unión. Discontinuidad: interrupción en la estructura de una soldadura, tal como: falta de homogeneidad mecánica, metalúrgica o características físicas del material base o de la propia soldadura. Una discontinuidad no tiene que ser necesariamente un defecto. Eje de una soldadura: línea a lo largo de la soldadura, perpendicular y en el centro geométrico de su sección recta. Electrodo de grafito: electrodo empleado en el soldeo o corte por arco, que no produce aporte. Consiste en una varilla de carbón o grafito, la cual esta revestida por cobre u otro material. Electrodo de soldadura: componente del circuito de soldeo, a través del cual pasa la corriente al arco, a la escoria fundida o al metal base. Electrodo de volframio: electrodo empleado en el soldeo o corte por arco, que no produce aporte. Consiste en una varilla de metal fabricada con volframio o aleaciones de este metal. Electrodo revestido: varilla metálica recubierta de una capa exterior (recubrimiento), con componentes formadores de escoria en el metal aportado por soldadura. El recubrimiento tiene diversas funciones, tales como: protección de la atmosfera exterior, desoxidación, estabilización del arco, facilitar el soldeo en posiciones distintas a la horizontal y aportar elementos metálicos al cordón de soldadura. Electrodo tubular con relleno metálico: electrodo metálico de aporte, de forma tubular, relleno de elementos de aleación, con eventual adición de pequeñas cantidades de fundentes y estabilizadores de arco. Puede precisar o no protección gaseosa. Electrodo tubular relleno de fundente: electrodo metálico de aporte, de forma tubular, relleno de fundentes. Las funciones de este relleno son tales como: protección de la atmosfera exterior, Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 6 desoxidación del baño y estabilización del arco. Especificación del procedimiento de soldeo: documento que facilita con detalle las variables requeridas para asegurar la repetitividad en una aplicación específica. Extremo libre del electrodo: longitud del electrodo comprendida entre el extremo de contacto con la boquilla y la parte extrema que se funde en el arco, en el soldeo bajo atmosfera protectora o en el soldeo por arco sumergido. Factor de marcha: relación entre el tiempo de paso de corriente y la duración total del ciclo de trabajo de una maquina. Falta de fusión: discontinuidad debida a que no ha llegado a fundir la superficie, del metal base o de los cordones precedentes, sobre la que se deposita el cordón. Falta de penetración en la unión: penetración inferior a la específica en una unión. Fundente: producto que se puede añadir durante el proceso de soldeo con la finalidad de proteger, limpiar, alear o modificar las características de mojado de las superficies. Galga de soldadura: dispositivo diseñado para verificar la dimensión y forma de las soldaduras. Garganta efectiva: altura del triangulo inscrito en la sección del cordón de una soldadura en ángulo. Garganta real: distancia mínima entre el fondo de la raíz de una soldadura de rincón y su cara. Garganta teórica: distancia mínima entre el origen de la raíz de la unión y la hipotenusa del mayor triangulo que pueda inscribirse dentro de la sección transversal de la soldadura de rincón. Gas de protección: gas utilizado para prevenir la contaminación de la soldadura por la atmosfera. Grieta: discontinuidad plana de factura, caracterizada por un extremo afilado y una relación alta entre longitud y anchura. Este tipo de defecto puede presentarse en el metal base, en el metal de soldadura o en la zona afectada y aflorar o no a la superficie. Inclusión de escoria: material solido, no metálico, atrapado en el metal de soldadura o entre el metal de soldadura y el metal base. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 7 Inserto consumible: metal de aportación, colocado antes de soldar, que se funde completamente en la raíz de la unión, convirtiéndose en parte de la misma. Metal base: material que va a ser sometido a cualquier operación de soldeo, corte, etc. Metal de aportación: material que se aporta en cualquier operacióno proceso de soldeo. Metal de soldadura: zona de la unión fundida durante el soldeo. Metal depositado: metal de aportación que ha sido añadido durante la operación de soldeo. Mordedura: falta de metal en forma de hendidura, de extensión variable, situada a lo largo de los bordes de la soldadura. Número de ferrita: valor que se utiliza para designar el contenido de ferrita delta en la zona de soldadura de un acero austenítico. Puede utilizarse para indicar el tanto por ciento de ferrita delta tanto en peso como en volumen. Oxicorte: nombre genérico para procesos de corte, utilizados para separar o eliminar metales por medio de la reacción química del oxigeno con el metal base a temperaturas elevadas. En el caso de metales resistentes a la oxidación, la reacción viene facilitada por el empleo de un fundente o polvo metálico. Pasada: cada una de las capas que se depositan para realizar una unión soldada con electrodo, soplete, pistola, haz de energía, etc. Pistola: útil empleado en el soldeo para transferir la energía y eventualmente los gases de protección en los diferentes procedimientos de soldeo. Plaqueado: revestimiento de una superficie para obtener propiedades diferentes de las del substrato. Véase untado, recargue y recrecimiento. Plasma: gas que ha sido calentado hasta alcanzar, como mínimo, un grado de ionización parcial, que le permite conducir una corriente eléctrica. Porosidad: cavidades formadas por una retención de gas durante la solidificación. Post-calentamiento: aplicación de calor después de la operación de soldeo, proyección térmica o corte, con finalidad de eliminar tensiones o variar las estructuras metalográficas. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 8 Precalentamiento: aplicación de calor al metal base inmediatamente antes de la operación de soldeo, proyección térmica o corte, para conseguir la temperatura óptima de trabajo. Preparación de la unión: operación que consiste en preparar los bordes y disponerlos según el perfil que se va a dar a la unión. Procedimiento cualificado: aquel que está aceptado en base a cumplir unos determinados requisitos. Procedimiento de soldeo: métodos y prácticas detallados involucrados en la realización de un conjunto soldado. Véase especificación del procedimiento de soldeo. Proyección térmica: nombre genérico para procesos de soldeo o similares, en los que materiales metálicos o no metálicos, finamente divididos, se depositan en condición fundida o semifundida para formar un recubrimiento. El material del recubrimiento puede estar en forma de polvo, varilla o alambre. Proyecciones: partículas metálicas, en forma de perlas, expulsadas durante el soldeo por fusión y que no forman parte del metal de soldadura. Pulsación: periodo de tiempo durante el que actúa la corriente, de cualquier polaridad, a través del circuito de soldeo. Raíz de soldadura: son los puntos, en una sección transversal, resultantes de la intersección de la parte posterior de la soldadura con las superficies del metal base. Raíz de la unión: zona de la unión a soldar en las que las piezas a unir están más próximas. En una sección transversal, la raíz de la junta puede ser un punto, una línea o un área. Recargue: deposición de un material de aportación sobre un metal base (substrato) para obtener las dimensiones o propiedades deseadas. Aplicación por soldeo, soldeo fuerte o proyección térmica de una capa de material a una superficie, para obtener las propiedades o dimensiones deseadas. Recocido: tratamiento térmico que implica un calentamiento y un mantenimiento a una temperatura apropiada, seguido de un enfriamiento hecho en condiciones tales que el metal después de enfriado a la temperatura ambiente presenta un estado estructural próximo al estado de equilibrio. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 9 Recrecimiento: variante de recargue en el que el material se deposita para conseguir las dimensiones requeridas. Registro del procedimiento de soldeo: documento que especifica las variables de soldeo para producir una unión de ensayo aceptable, y de los resultados de los ensayos efectuados sobre esa unión para cualificar el procedimiento de soldeo. Revenido: tratamiento térmico al que se somete un material metálico después del temple para buscar un cierto estado de equilibrio y conseguir las propiedades requeridas. Secuencias de soldeo: orden de ejecución de las uniones o de los cordones en un conjunto soldado. Soldabilidad: capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de fabricación impuestas a una determinada estructura diseñada adecuadamente y para funcionar satisfactoriamente en las condiciones de servicio previstas. Soldador: persona que realiza el soldeo. Térmico genérico utilizado tanto para los soldadores manuales como para los operadores de soldeo. Soldadura: efecto de aplicar un proceso de soldeo. Coalescencia localizada de metales o no metales, producida por calentamiento de los materiales a temperaturas adecuadas, con o sin la aplicación de presión, o por la aplicación de presión únicamente, y con o sin el empleo de material de aportación. Soldadura autógena: unión efectuada por fusión y sin aporte de material. También es un término, normalmente mal utilizado, para referirse a las soldaduras fuertes, blandas y soldaduras realizadas con soplete. Soldadura en ángulo: soldadura para unir superficies que formen entre ellas un ángulo recto, aproximadamente, cuya sección transversal es sensiblemente triangular, y que se puede realizar en uniones a solape, en T, o en esquina. Soldadura fuerte: soldadura realizada por calentamiento a temperatura adecuada de las partes a unir y utilizando un metal de aportación que funde a una temperatura por encima de 450ºC e inferior a la temperatura de fusión del metal base. Las superficies de las piezas a unir deben estar muy próximas entre sí, para que el metal de aportación difunda por capilaridad entre ellas. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 10 Soldadura provisional: soldadura efectuada para sujetar una o varias piezas, de forma temporal, a un conjunto soldado para su manipulación o envío a obra. Soldeo: acción de realizar una soldadura. Proceso de unión que origina la coalescencia de materiales calentándolos a temperatura adecuada, con o sin la aplicación de presión, o por la aplicación de presión únicamente, y con o sin material de aportación. Soldeo automático: proceso de unión en el que el operario se limita a fijar los parámetros iniciales de soldeo y al seguimiento de la operación. Soldeo blando: grupo de procesos de unión, que origina la coalescencia de materiales calentándolos a la temperatura adecuada de las partes a unir y utilizando un metal de aportación, que funde a una temperatura inferior a 450ºC, e inferior también a la temperatura de fusión del material base. Las superficies de las piezas a unir deben estar muy próximas entre sí, para que el metal de aportación difunda por capilaridad entre ellas. Soldeo con CO2: variante del proceso de soldeo con gas, que emplea el CO2 como gas protector. Soldeo por rayo láser: proceso de soldeo que produce una coalescencia de los materiales con el calor obtenido por la aplicación de una radiación láser, que incide sobre la unión. Soldeo en estado sólido: grupo de procesos de soldeo que producen la coalescencia mediante la aplicación de presión a una temperatura inferior a las de fusión de los materiales base y de aportación. Soldeo en frío: proceso de soldeo en estado sólido en el que se emplea presión para producir una unión a temperaturaambiente con una deformación de mayor o menor grado en la soldadura. Véase soldeo por forja o soldeo por difusión. Soldeo hacia adelante: técnica de soldeo, en la cual el electrodo o la pistola se dirige en el mismo sentido que el avance de la soldadura. Soldeo hacia atrás: técnica de soldeo en la cual el electrodo o pistola se dirige en sentido contrario al de avance de la soldadura. Soldeo MIG: término habitualmente utilizado para el soldeo semiautomático con gas inerte. Soldeo oxiacetilénico: proceso de soldeo oxi-gás que utiliza el acetileno como gas combustible. Este proceso se utiliza sin presión y con o sin metal de aportación. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 11 Soldeo oxi-gás: grupo de procesos de soldeo en el que la coalescencia de los materiales a unir se produce por calentamiento de una llama oxigás. Los procesos se utilizan con o sin aplicación de presión y con o sin metal de aportación. Soldeo por arco: grupo de procesos de soldeo que producen la coalescencia de las piezas, mediante el calentamiento con un arco eléctrico. Estos procesos se utilizan con o sin aplicación de presión y con o sin metal de aportación. Soldeo con arco con electrodo de volframio: procesos de soldeo por arco eléctrico, en los que el arco se establece entre un electrodo de volframio, no consumible, y el baño de fusión. Este proceso se utiliza con protección de gas y sin aplicación de presión y con o sin metal de aportación. Soldeo por arco con electrodo revestido: proceso de soldeo por arco eléctrico, en el que el arco se establece entre el electrodo revestido y el baño de fusión. Este proceso se utiliza con la protección producida por la descomposición del revestimiento del electrodo, sin aplicación de presión y con la adición de metal de aportación desde el electrodo. Soldeo por arco con gas: procesos de soldeo con arco eléctrico, en los que el arco se establece entre un metal de aporte continuo consumible y el baño de fusión. Estos procesos se utilizan con la protección procedente de una fuente de gas externa y sin aplicación de presión. Soldeo por arco con alambre caliente: variante del proceso de soldeo por fusión, en la que el alambre/electrodo se calienta por resistencia, mediante el paso de una corriente, mientras se aporta al baño de fusión. Soldeo por arco con alambre tubular: proceso de soldeo por arco eléctrico, en el que el arco se establece entre un alambre/electrodo tubular continuo, consumible, y el baño de fusión. Este proceso se utiliza con la protección gaseosa producida por la descomposición del fundente contenido en el interior del electrodo tubular, con o sin protección adicional de una fuente externa de gas y sin la aplicación de presión. Soldeo por arco con protección gaseosa: nombre genérico para designar los procesos de soldeo por electrogás, soldeo por arco con alambre tubular, soldeo por arco con gas, soldeo con arco con electrodo de tungsteno y soldeo por arco plasma. Soldeo por arco plasma: proceso de soldeo por arco eléctrico que utiliza un arco constreñido entre un electrodo no consumible y el baño de fusión (arco transferido), o entre el electrodo y la boquilla constrictora (arco no transferido). La protección de gas ionizado, suministrado por la pistola, puede complementarse por una fuente auxiliar de gas protector. El proceso se utiliza sin Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 12 aplicación de presión y con o sin metal de aportación. Soldeo por arco pulsado: variante del proceso de soldeo por arco, donde la intensidad de corriente se programa por pulsos periódicos, de forma que pueden utilizarse grandes impulsos de corta duración. Soldeo por arco sumergido: proceso de soldeo por arco que utiliza uno o más arcos eléctricos entre uno o varios electrodos desnudos y el baño fundido. El arco y el baño fundido se protegen con una capa de fundente granular depositado sobre las piezas. El proceso se utiliza sin aplicación de presión y con adición de metal de aporte, procedente del electrodo y a veces de otras fuentes como varillas, fundente o gránulos metálicos. Soldeo por difusión: proceso de soldeo en estado sólido que produce la unión mediante la aplicación de presión a temperatura elevada sin deformación aparente o desplazamiento relativo de las piezas. Puede efectuarse intercalando un metal de aporte entre las superficies a unir. Soldeo por electroescoria: proceso de soldeo por fusión, que produce coalescencia de los metales con la fusión de una escoria, que a su vez el metal de aportación y las superficies a unir. El baño de fusión, que avanza de abajo hacia arriba, está protegido por esta escoria. El proceso se inicia por un arco que calienta la escoria. Cuando se extingue el arco, la escoria semifundida permite el paso de la corriente de soldeo. Soldeo por electrogás: proceso de soldeo por arco, que se establece entre un electrodo de aportación continua y el baño fundido. La soldadura se realiza en vertical ascendente, utilizando unos soportes para la retención del baño. El proceso se realiza con o sin gas de protección y sin aplicación de presión. Soldeo por haz de electrones: proceso de soldeo por fusión, en el que la energía para producir la coalescencia de los metales procede de un haz concentrado de electrones a alta velocidad que incide sobre la unión. Este proceso se puede usar con o sin gas de protección y sin aplicación de presión. Soldeo por resistencia: grupo de procesos de soldeo que producen una fusión en la intercara de las piezas a unir, mediante el calor que se produce por el paso de la corriente de soldeo a través de las superficies de contacto y la aplicación de presión durante el proceso. Soldeo semiautomático por arco: proceso de unión por arco en el que uno o más parámetros se controlan automáticamente. El avance del soldeo se controla manualmente. Termino generalmente usado para el MIG, MAG Y CO2. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 13 Soldeo TIG: término no normalizado para el soldeo por arco con electrodo de volframio y gas inerte. Soplete: instrumento que permite dirigir una llama de la forma, potencia y propiedades requeridas, a partir de la combustión de un gas. Soplete de corte: dispositivo empleado para orientar la llama de precalentamiento producida por una combustión controlada de gases para dirigir y controlar el corte por oxigeno. Soplo magnético del arco: desviación no deseable de la trayectoria del arco, provocada por fuerzas electromagnéticas. Temperatura de precalentamiento: temperatura que debe alcanzar el metal base inmediatamente antes que se inicie cualquier proceso de soldeo. En procedimientos de pasadas múltiples, es la temperatura que debe alcanzarse antes de depositar los siguientes cordones. Temperatura entre pasadas: en el caso de soldeo con pasadas múltiples, es la temperatura a la que debe estar el área que se va a soldar antes de realizar la siguiente pasada. Tensión de vacío: diferencia de potencial entre los terminales de salida de una fuente de energía eléctrica, cuando no circula la corriente. TIG pulsado: término utilizado habitualmente para designar el proceso de soldeo por arco pulsado con electrodo de volframio y gas inerte. Toma de tierra: conexión eléctrica de la carcasa de la máquina de soldeo a tierra para seguridad. Transferencia globular: soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la cual el metal fundido, procedente de un electrodo consumible, se deposita sobre la pieza en forma de gotas gruesas. Transferencia por cortocircuito: soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la cual el metal fundido, procedentede un electrodo consumible, se deposita sobre la pieza por cortocircuitos. Transferencia por pulverización: soldeo por arco con gas. Transferencia del metal en la cual el metal fundido, procedente de un electrodo consumible, es dirigido axialmente a través del arco y sobre la pieza en forma de gotas finas. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 14 Tratamiento térmico: operación, o sucesión de operaciones, mediante la cual un producto en estado sólido se somete, parcialmente o en su totalidad, a uno o varios ciclos térmicos para obtener un cambio de sus propiedades o de su estructura. Unión: espacio, a rellenar de metal aportado, entre dos piezas cuyos bordes han sido preparados convenientemente para tal fin. Por extensión: el resultado de la operación de soldeo. Unión a tope: conjunto soldado en el que las piezas están alineadas aproximadamente en el mismo plano. Unión de solape: soldadura entre dos piezas que están superpuestas en planos paralelos. Unión en T: soldadura entre dos piezas, en el que el borde de una es aproximadamente perpendicular a la superficie de la otra, en las proximidades de la unión. Unión soldada en ángulo: soldadura entre dos superficies que forman un ángulo, en una unión a solape, en forma de T o en ángulo, y de sección transversal aproximadamente triangular. Zona afectada térmicamente: porción del metal base que no ha fundido, pero cuya microestructura o propiedades mecánicas han sido alteradas por el calor generado durante el proceso de soldeo o corte. Zona de fusión: área del metal base fundido, determinada sobre la sección transversal de una soldadura. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 15 3. SIMBOLOGIA DE LA SOLDADURA En muchos diseños mecánicos se requiere la soldadura de piezas y partes, y esta información debe estar reflejada en los planos mecánicos y para ello se recurre a la simbología, la cual está perfectamente definida en las normas industriales. En esta pequeña exposición se hará referencia a la norma American AWS A 2.4, que es la más utilizada, la cual contempla los símbolos o ideogramas para definir a la soldadura, además de dictar las pautas para su representación en los planos mecánicos y de construcción. Toda la información que puede contener el símbolo de la soldadura queda esquematizada en la figura siguiente: Figura 3.1. Esquema de la información que puede contener el símbolo de una soldadura. S= Profundidad del bisel o garganta. (E)= Profundidad de la soldadura. [ ]= Espacio para el símbolo del tipo de unión. F= Símbolo del acabado (maquinado, martillado, etc). __= Símbolo para el contorno de la soldadura. A= Ángulo del bisel o de la V. R= Separación entre las piezas a soldar, separación en la raíz. (N) =Número de puntos de soldadura. L= Longitud del cordón de soldadura. P= Separación o paso entre cordones. T = Proceso de soldadura, electrodo, tolerancias, etc. (Opcional). La estructura base del símbolo para definir el tipo de unión soldada, es la señalización, la cual está conformada por una línea horizontal unida a una flecha inclinada. La línea horizontal se le conoce como línea de referencia y la flecha apunta o indica la junta soldada. A nivel de la línea de referencia se coloca la información sobre la soldadura junto con el símbolo de la unión soldada. En muchos casos la línea que contiene a la flecha puede ser quebrada o múltiple si por razones del dibujo o plano es necesario. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 16 Figura 3.2. Distintas líneas de referencia. A partir de las líneas de referencia, se va añadiendo toda la información necesaria para realizar la soldadura. La información que se escribe debajo de la línea de referencia corresponde a la soldadura que se realizará en la junta del lado que indica la flecha. Si la información se encuentra sobre la línea de referencia, la soldadura se realizará en el lado opuesto al indicado por la flecha. Figura 3.3. Indicación del lado a realizar la soldadura. Si la soldadura ha de realizarse en la obra o en el campo, al símbolo se le coloca un banderín relleno en el punto en donde se une la flecha con la línea de referencia. Figura 3.4. Indicación de soldadura realizada en la obra o en el campo. Cuando la soldadura es continua alrededor de toda la unión, al símbolo se le coloca un pequeño círculo cuyo centro está en la unión de la línea de referencia y la flecha. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 17 Figura 3.5. Indicación de soldadura continua alrededor de la unión. Si es necesario colocar información adicional como el tipo de procedimiento, de proceso requerido, electrodo, tolerancias o cualquier otra información que ayude a entender la ejecución de la soldadura, la misma se coloca en la cola del símbolo. Figura 3.6. Información adicional. Para definir el tipo de junta o unión soldada (soldadura a tope, en V, etc.) la norma contempla los símbolos adecuados para su representación. La tabla siguiente muestra los símbolos más comunes. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 18 Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 19 Figura 3.7. Indicación del tipo de junta. Si la soldadura es simétrica, se coloca el mismo símbolo que representa a la unión soldada tanto arriba como debajo de la línea de referencia, si es asimétrica, se coloca un símbolo distinto a cada lado de la línea de referencia. Los símbolos pueden superponerse si la junta soldada requiere más de un tipo de soldadura. Figura 3.8. Indicación de simetría asimetría de la soldadura. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 20 Para indicar el contorno de la soldadura, los símbolos normalizados según la AWS son: Figura 3.9. Indicación del contorno de la soldadura. Para especificar el acabado o remate de la soldadura se emplea una letra, que en la norma original son: C= Burilado, cincelado. G= Pulido, esmerilado. H= Martillado. M= Maquinado. R = Laminado. Toda esta información es de gran importancia, ya que en todos los procedimientos de diseño debe estar reflejada la información referente a la soldadura en los planos, y el soldador debe estar capacitado para su correcta comprensión. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 21 4. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA Hacer una clasificación sistemática de todos los procesos de soldeo no resulta nada fácil, debido a que actualmente pasan del centenar y además son varios los criterios bajo los cuales pueden ser ordenados. Algunos de estos criterios son: I. Por tipos de fuente de energía: arco eléctrico, corriente eléctrica, efecto joule, energía mecánica, energía química, energía radiante, etc. II. Por los procesos físicos de unión: fusión, en estado sólido, interacción solido-liquido. III. Por los medios de protección: fundentes, gases inertes, gases activos, vacio. Además hay que tener en cuenta que ningún criterio es totalmente definitivo, ya que son muchos los procesos en que se superponen dos o más de estos parámetros. 4.1 Clasificación EN ISO 4063 La norma internacional EN ISO 4063 identifica a cada proceso con un número de referencia. Cubrelos principales grupos de procesos (un dígito), grupos (dos dígitos) y subgrupos (tres dígitos). El número de referencia de cualquier proceso consta de tres dígitos como máximo. Este sistema intenta ser una ayuda para la información, planos, documentos de trabajo, especificaciones de procedimiento de soldeo, etc. A continuación se indican los números de referencia y las designaciones de los procesos más utilizados. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 22 Figura 4.1. Clasificación de los procesos de soldadura EN ISO 4063. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 23 Figura 4.2. Clasificación de los procesos de soldadura EN ISO 4063. 4.2 Clasificación AWS Esta clasificación se realiza en etapas consecutivas utilizando en cada una de ellas diferentes factores definitorios. En primer lugar, se clasifican los procesos atendiendo al tipo de interacción entre las dos partes del metal base y el metal de aportación. Las siguientes etapas clasificatorias se llevan a cabo progresivamente en función del tipo de energía, fuente de energía, con o sin refuerzo mecánico y tipo de protección. Figura 4.3. Clasificación de procesos de soldeo por fusión Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 24 Figura 4.4. Clasificación de procesos de soldeo en estado sólido. Figura 4.5. Clasificación de procesos de soldeo blando y fuerte Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 25 5. PAUTAS PARA ELECCION SISTEMATICA DE UN PROCESO DE SOLDEO Hoy en día existe una gran cantidad de técnicas de unión y el problema no es como llevar a cabo las uniones, sino seleccionar la más adecuada para cada tipo de trabajo. Cada proceso tiene sus propios atributos y deben ser valorados diferentes aspectos como la resistencia, facilidad de fabricación, coste, resistencia a la corrosión y aspecto, antes de tomar la decisión final en función de las aplicaciones especificas de cada producto. La selección de un proceso de soldeo requiere un conocimiento previo de todos ellos y de sus características y condicionamientos operativos. Con frecuencia pueden utilizarse varios procesos para un determinado trabajo. El problema radica en seleccionar el más conveniente en función de su operatividad y coste. La elección deberá llevarse a cabo teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: I. El material o materiales a unir y su soldabilidad. II. Tamaño y complejidad de la soldadura. III. Aplicaciones. IV. Lugar de fabricación. V. Estimación de costes. VI. Capacitación de los soldadores. 5.1. Material base La naturaleza, estado de tratamiento y forma de los materiales que van a ser soldados condicionan la elección del proceso, ya que en función de sus características y de aquellos efectos metalúrgicos y mecánicos que puedan llegar a generar, podrían modificar las propiedades físicas y mecánicas del material y su composición química. 5.2. Tamaño y complejidad de la soldadura Otro aspecto importante a tener en cuenta, a la hora de la elección del proceso, es el tamaño y complejidad de la soldadura a ejecutar. Son factores a considerar el espesor de las chapas o piezas a unir, la posición en que se va a llevar a cabo la ejecución de la soldadura, la longitud del cordón y la preparación de los bordes de unión. La unión de piezas de espesores elevados aconseja la utilización de procesos con alto aporte de energía y gran penetración, como el soldeo por arco sumergido. En cambio, para la unión de Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 26 espesores finos deben emplearse procesos con un aporte de energía bajo y fácilmente regulable, como el soldeo TIG. La posición de la soldadura afecta severamente a la elección del proceso, ya que muchos procesos la ejecución de la soldadura está limitada a una serie de posiciones. 5.3. Lugar de fabricación No todos los procesos de soldeo tienen la misma versatilidad, ya que algunos pueden ser empleados en casi todos los lugares y medios ambientes, mientras el uso de otros está limitado por las instalaciones que requieren y equipos complejos. La selección para una localización determinada viene condicionada por factores como el medio ambiente, la movilidad del equipo, disponibilidad de energía eléctrica, agua, aire, gases, etc. Como ejemplo, el soldeo por arco con electrodo revestido es el más simple y versátil de todos los procesos, ya que el equipo necesario se reduce a una fuente de energía eléctrica, los cables y la pinza. 5.4. Estimación de costes En el uso industrial, cada proceso tiene un área de aplicación donde ofrece ventajas económicas, pero las áreas son amplias y presentan solapamientos con otros procesos, por ello es importante la elección adecuada para cada aplicación a fin de obtener el mínimo coste. A la hora de evaluar el coste total, se tienen en cuenta factores como la mano de obra, materiales consumibles, coste del equipo, velocidades de deposición, tiempo real de soldeo, calidad de la soldadura, etc. 5.5. Aplicaciones La elección del proceso de soldeo depende, en gran medida, del trabajo a realizar. Por ejemplo, para la construcción de estructuras, edificios y puentes, suelen utilizarse generalmente los procesos con electrodo revestido, arco sumergido y con gas. En la construcción en fábrica de recipientes a presión, tanques de almacenamiento y tuberías, que suponen un gran porcentaje del campo de aplicación de la soldadura, cuyo destino son las industrias del petróleo, petroquímica, química y producción de energía, la elección del proceso viene delimitada por el diseño, costes y normas que rigen la fabricación. En la construcción naval el proceso más utilizado es el electrodo revestido, aunque crecen progresivamente las aplicaciones del arco sumergido y gas. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 27 En las industrias del automóvil y ferrocarril se usan todos los procesos de soldeo a causa de los muchos tipos de materiales y las múltiples aplicaciones a que se destinan. 5.6. Capacitación de soldadores Otro factor a valorar en la selección del proceso de soldadura es el nivel de los soldadores disponibles en cada uno de los procesos a utilizar. Hay que tener en cuenta que muchas de las aplicaciones han de efectuarse de acuerdo con las normas y códigos específicos que exigen la cualificación de los soldadores u operadores de maquinas de soldeo. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 28 6. DESCRIPCION DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA MÁS UTILIZADOS EN CONTRUCCION NAVAL 6.1. Soldeo por arco con electrodo revestido 6.1.1. Principios del proceso El proceso de soldeo metálico por arco con electrodo revestido, también conocido por las siglas SMAW (Shielded Metal Arc Welding), es un proceso en el que la fusión del metal se produce por el calor generado en un arco eléctrico establecido entre el extremo de un electrodo revestido y el metal base de una unión a soldar. Figura 6.1. Descripción del proceso. El proceso se inicia con el cebado del arco, operación que consiste en tocar la pieza con el extremo libre del electrodo, cerrándose durante ese corto tiempo el circuito. El paso de corriente genera por efecto Joule el calentamientodel punto de contacto y de las zonas inmediatas, particularmente el extremo del electrodo. En el momento de separar el extremo del electrodo de la pieza, el metal del extremo libre del electrodo produce una fuerte emisión de electrones que se aceleran por la presión, chocan con los electrones de otros átomos del medio gaseoso, generando una atmosfera ionizada en su entorno que permite el paso de corriente a través del aire. Los electrodos que van del electrodo al ánodo provocan la fusión Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 29 parcial del electrodo y producen así el salto del arco. El arco eleva extraordinariamente la temperatura, del orden de 5000ºC, siendo estas muy por encima de la temperatura de fusión del metal. Es por ello, que tanto el extremo del electrodo como la zona afectada por el arco en el metal base se funden. Del extremo del electrodo se desprenden pequeñas gotas de metal fundido, que se proyectan sobre el metal base también fundido, mezclándose con él y formando lo que se denomina baño de fusión. A medida que el electrodo se va consumiendo con este proceso, se hace avanzar el baño fundido a lo largo de la unión a soldar, al tiempo que la parte del baño fundido que deja de estar en contacto directo con el arco se va solidificando por la difusión del calor, formando lo que denominamos metal soldado. Cuando la parte útil del electrodo se ha consumido, se interrumpe el arco, solidificándose la última porción de baño fundido y obteniéndose así un cordón de soldadura correspondiente a un electrodo. La sucesión de cordones, hasta la terminación de la unión a soldar constituye la soldadura propiamente dicha. Este proceso de soldadura es el más extendido entre todos los procedimientos de soldadura por arco, debido fundamentalmente a su versatilidad, aparte de que el equipo necesario para su ejecución es más sencillo, transportable y barato que el de los demás. Así, la soldadura manual puede ser utilizada en cualquier posición, tanto en locales cerrados como en el exterior, se puede aplicar en cualquier localización que pueda ser alcanzada por un electrodo, incluso con restricciones de espacio, que no permiten la utilización de otros equipos. Además, al no requerir ni tuberías de gases ni conducciones de agua de refrigeración, puede ser empleado en lugares relativamente alejados de la unión generadora. También la soldadura manual es aplicable a casi todos los tipos de aceros: al carbono, débilmente aleados, inoxidables, resistentes al calor, etc., y a un gran número de aleaciones, como las de cobre-zinc (latones) y cobre-estaño (bronces) principalmente. No obstante, factores como la productividad y la mayor uniformidad de las soldaduras obtenidas para numerosas aplicaciones, hace que otros procedimientos vayan desplazando a la soldadura manual. 6.1.2. Parámetros de soldeo Los parámetros principales de soldeo metálico por arco con electrodo revestido son: I. Diámetro de electrodo II. Intensidad de soldeo III. Longitud de arco Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 30 IV. Velocidad de desplazamiento V. Tipo de corriente i. Diámetro de electrodo En general, se deberá seleccionar el mayor diámetro posible que asegure los requisitos de aporte térmico y que permita su fácil utilización en función de la posición, el espesor del material y el tipo de unión, que son los parámetros de los que depende la selección del diámetro del electrodo. Los electrodos de mayor diámetro se seleccionan para soldeo de materiales de gran espesor y para soldeo en posición plana debido a sus altas tasas de deposición. En el soldeo en posición cornisa, vertical y bajo techo el baño de fusión tiende a caer por efecto de la gravedad, este efecto es más acusado, y más difícil de mantener el baño en su sitio, cuanto mayor es el volumen de este, es decir, cuanto mayor es el diámetro del electrodo, por lo que en estas posiciones convendrá utilizar electrodos de menor diámetro. En el soldeo con pasadas múltiples el cordón de raíz conviene efectuarlo con un electrodo de pequeño diámetro, para conseguir el mayor acercamiento posible del arco al fondo de la unión y asegurar una buena penetración, después se pasará a utilizar electrodos de mayor diámetro para completar la unión. El aporte térmico depende directamente de la intensidad, tensión del arco y velocidad de desplazamiento, todos ellos parámetros que dependen del diámetro del electrodo. El aporte térmico será mayor cuanto mayor sea el diámetro del electrodo. En las aplicaciones con materiales donde se requiera que el aporte térmico sea bajo se deberán utilizar electrodos de pequeño diámetro. Por lo tanto se deberán emplear: - Electrodos de poco diámetro (2, 2.5, 3.25, 4 mm) en: punteado, uniones de piezas de poco espesor, primeras pasadas, soldaduras en posición cornisa, vertical y bajo techo y cuando se requiera que el aporte térmico sea bajo. - Electrodos de mayores diámetros para: uniones de piezas de espesores medios y gruesos, soldaduras en posición plana y recargues. La utilización de grandes diámetros puede dar lugar a un cordón de soldadura excesivo, innecesario y costos económicamente, pudiendo también actuar como concentrador de tensiones debido a un perfil inadecuado. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 31 ii. Intensidad de soldeo Cada electrodo, en función de su diámetro, posee un rango de intensidades en el que puede utilizarse y que en ningún caso se debe superar ese rango ya que se producirían mordeduras, proyecciones, intensificación de los efectos del soplo magnético e incluso grietas. Cuanto mayor sea la intensidad utilizada mayores serán la penetración y la tasa de deposición. Figura 6.2. Efecto de los principales parámetros de soldeo en el cordón. A. Amperaje, longitud de arco y velocidad de desplazamiento apropiadas. B. Amperaje demasiado bajo. C. Amperaje demasiado alto. D. Longitud de arco demasiado corta. E. Longitud de arco demasiado larga. F. Velocidad de desplazamiento demasiado lenta. G. Velocidad de desplazamiento demasiado rápida. La intensidad a utilizar depende de la posición de soldeo y del tipo de unión. Como regla práctica y general, se deberá ajustar la intensidad a un nivel en que la cavidad del baño de fusión sea visible. Si esta cavidad es muy grande y tiene forma elíptica, significa que la intensidad es excesiva. iii. Longitud de arco La longitud del arco a utilizar depende del tipo de electrodo, su diámetro, la posición de soldeo y de intensidad. En general, la longitud del arco debe ser igual al diámetro del electrodo, Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 32 excepto cuando se emplee el electrodo de tipo básico, que deberá ser igual a la mitad de su diámetro. Es conveniente mantener siempre la misma longitud de arco, con objeto de evitar oscilaciones en la tensión e intensidad de la corriente y con ello una penetración desigual. En el soldeo en posición plana, sobre todo cuando se utilizan electrodos de revestimiento grueso, se puede arrastrar ligeramente el extremo del electrodo, con lo que la longitud del arco vendrá automáticamente determinada por el espesor del revestimiento. En las primeras pasadas de las uniones a tope y en las uniones en ángulo, el arco se empuja hacia la unión para mejorar la penetración. Cuando se produzca soplo magnético, la longitud del arco se deberá acortar todo lo posible. Un arco demasiado corto puede ser errático y producir cortocircuitos durante la transferencia del metal, mientras que un arco demasiado largo perderá direccionalidad e intensidad, además el gas yel fundente generados por el revestimiento no son tan eficaces para la protección del arco y del metal de soldadura, por lo que se puede producir porosidad y contaminación del metal de soldadura con oxigeno e hidrogeno. IV. Velocidad de desplazamiento La velocidad de desplazamiento durante el soldeo debe ajustarse de tal forma que el arco adelante ligeramente al baño de fusión. Cuanto mayor es la velocidad de desplazamiento menos es la anchura del cordón, menor es el aporte térmico y más rápidamente se enfriará la soldadura. Si la velocidad es excesiva se producen mordeduras, se dificulta la retirada de la escoria y se favorece el atrapamiento de gases produciendo poros. Según vamos aumentando la velocidad de soldeo, el cordón se va haciendo más estrecho y va aumentando la penetración hasta un cierto punto a partir del cual un aumento de la velocidad trae como consecuencia una disminución de la penetración, debido a que el calor aportado no es suficiente para conseguir una mayor penetración. Con una baja velocidad el cordón será ancho, convexo y con poca penetración, debido a que el arco reside demasiado tiempo sobre el metal depositado en vez de concentrarse sobre el metal base. V. Tipo de corriente El soldeo por arco con electrodos revestidos se puede realizar tanto con corriente alterna como con corriente continua, la elección dependerá del tipo de fuente de energía disponible, del electrodo a utilizar y del metal base. En la tabla siguiente vemos que corriente es la más adecuada en función de una serie de parámetros. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 33 Características Corriente continua (CC) Corriente alterna (CA) Pérdida de tensión en cables Grande Pequeña Electrodos Todos Solo con revestimiento que reestablezcan el arco Encendido del arco Fácil Difícil Mantenimiento del arco Fácil Difícil Efecto de soplo Muy sensible, sobretodo cerca de los extremos Raramente Salpicaduras Pocas Frecuentes, debidas a la pulsación Posiciones de soldeo Todas Todas Soldadura de hojas metálicas Preferible a CA Difícil Soldaduras de secciones gruesas Bajo rendimiento Preferible a CC Figura 6.3. Comparativa de las características de soldeo en CC y CA. En cuanto a la polaridad en corriente continua depende del material a soldar y del electrodo empleado, sin embargo se obtienen mayor penetración con polaridad inversa. Figura 6.4. Penetración obtenida en función de la polaridad. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 34 6.1.3. Equipo de soldeo i. Fuente de energía En el soldeo con electrodo revestido se trabaja con tensiones bajas e intensidades altas. Las compañías eléctricas subministran corriente alterna de baja intensidad y de alto voltaje, parámetros que no resultan adecuados para el manejo del arco. La fuente de energía es el elemento que se encarga de transformar y/o convertir la corriente eléctrica de la red en otra alterna o continua, con una tensión e intensidad adecuadas para la formación y estabilización del arco eléctrico. Dichas fuentes de energía son máquinas eléctricas que, según sus estructuras, reciben el nombre de transformadores, rectificadores o convertidores. Un aspecto a considerar desde el punto de vista práctico es la relación existente entre la fuente de alimentación y las características del arco. Una fuente de alimentación en soldadura tiene su propia característica voltaje- intensidad. La corriente y el voltaje reales obtenidos en el proceso de soldeo vienen determinados por la intersección de las curvas características de la máquina y la del arco. Este es el punto de funcionamiento o punto de trabajo definido por la intensidad y tensión de soldeo. Figura 6.5. Curva característica del arco, de la fuente y punto de funcionamiento. La fuente de energía para el soldeo debe presentar una característica descendente (de intensidad constante), para que la corriente de soldeo se vea poco afectada por las variaciones de longitud de arco. ii. Portaelectrodo En el soldeo metálico por arco revestido el portaelectrodo tiene la misión de conducir la electricidad al electrodo y sujetarlo. Para evitar un sobrecalentamiento en las mordazas, estas deben mantenerse en perfecto estado, ya que un sobrecalentamiento se traduciría en una disminución de la calidad y dificultaría la ejecución del soldeo. Se debe seleccionar siempre el portaelectrodos adecuado para el diámetro de electrodo que se vaya a utilizar. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 35 Figura 6.6. Portaelectrodo. iii. Conexión de masa Es muy importante la correcta conexión del cable de masa y la especial situación en el soldeo con corriente continua. Una situación incorrecta puede provocar el soplo magnético, dificultando el control del arco. También es muy importante el método de sujeción del cable, ya que un cable mal sujeto no proporcionará un contacto eléctrico consistente y la conexión se calentará, pudiendo producirse una interrupción en el circuito y la extinción del arco. El mejor método es emplear una zapata de contacto de cobre sujeta con una mordaza. Si fuese perjudicial la contaminación por cobre del metal base con este dispositivo, la zapata de cobre debe adherirse a una chapa que sea compatible con la pieza, que a su vez se sujeta a la pieza. 6.1.4. Tipos de electrodos El elemento fundamental para la soldadura manual es el electrodo, que soporta el arco y que al consumirse produce la aportación del material que, unido al material fundido del metal base, va a constituir el metal soldado. El electrodo está básicamente constituido por un alambre, de composición similar al del metal base, con o sin un revestimiento que lo envuelve. Los electrodos se clasifican en dos grupos dependiendo de si llevan revestimiento o no, estos grupos son electrodos desnudos y electrodos revestidos. i. Electrodos desnudos Salvo para uniones de muy poca responsabilidad y en piezas de acero dulce, los electrodos desnudos no se utilizan, ya que las soldaduras obtenidas tienen muy malas cualidades mecánicas. El arco absorbe los componentes del aire y los incorpora al baño fundido por lo que el metal soldado presenta gran cantidad de óxidos, nitruros, poros y escorias que le confieren esas malas cualidades mecánicas. En la utilización de electrodos desnudos es muy difícil mantener el arco, siendo imposible hacerlo con corriente alterna. ii. Electrodos revestidos Los electrodos revestidos están formados por: - Un alambre de sección circular uniforme, denominado alma, de composición normalmente similar a la del metal base. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 36 - El revestimiento que es un cilindro que envuelve el alma, concéntrico con ella y de espesor uniforme, constituido por una mezcla de compuestos que caracterizan el electrodo y que cumple varias funciones, las cuales evitan los inconvenientes del electrodo desnudo. Los electrodos tienen longitudes normalizadas de 150, 200, 250, 300, 350 y 450 mm en función del diámetro del electrodo. Un extremo del alma está sin cubrir de revestimiento, el cual es de una longitud de 20 a 30 mm, para poderlos coger con la pinza del portaelectrodo. Los diámetros de los electrodos también están normalizados, siendo los más comunes los de 1.6, 2, 2.5, 3.25, 4, 5, 6, 6.3, 8, 10 y 12.5 mm (diámetro del alma). Atendiendo al espesor del revestimiento o a la relación entre el diámetro del alma y el del revestimiento, los electrodos se clasifican en: I. Delgados: este tipo de electrodos de revestimiento delgado protegen poco al metal fundido, por lo que solo se utilizan en elaprendizaje de las técnicas de soldeo. II. Medios: este tipo de electrodos obtienen mejor estabilidad del arco, permiten soldeo con corriente alterna y protegen mejor al metal soldado, la escoria recubre al metal ya solidificado reduciendo la velocidad de enfriamiento y la oxidación. III. Gruesos: este tipo de electrodos con revestimiento grueso permiten obtener las mejores cualidades del metal soldado 6.1.5. Funciones del revestimiento Las funciones básicas que debe cumplir un revestimiento son: - Asegurar la estabilización del arco. - Proteger al metal fundido de su contacto con el aire, tanto en el trayecto de las gotas fundidas a lo largo del arco, mediante gases que lo envuelvan, como en el baño de fusión mediante la formación de una capa de escoria que lo recubra. - Eliminar o reducir las impurezas en el interior de la soldadura, mediante el barrido de las mismas por medio de la escoria. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 37 - Aportar elementos aleantes a la soldadura, que suplan las pérdidas ocasionadas por la alta temperatura y/o que comuniquen a la misma las cualidades mecánicas deseadas. - Asegurar un enfriamiento seguro de la soldadura, a fin de obtener un mejor comportamiento mecánico de ella. Estas funciones pueden agruparse para su estudio bajo los siguientes aspectos: I. Función eléctrica. II. Función física. III. Función metalúrgica. i. Función eléctrica del revestimiento La función primordial del revestimiento desde el punto de vista eléctrico, es asegurar una buena ionización entre el ánodo y el cátodo, facilitando la estabilidad del arco. Cuando se trabaja con corriente alterna, la ionización elevada se consigue mediante la inclusión en el revestimiento de sales de baja tensión de ionización y de elevado poder termoiónico, principalmente las de sodio, potasio, bario y en general de metales alcalinos. También favorecen el cebado y la estabilidad del arco otros productos como silicatos, carbonatos y óxidos de hierro y titanio. Cada tipo de electrodo tiene un potencial de ionización y por tanto una tensión de cebado que les caracteriza. ii. Función física del revestimiento El revestimiento cumple varias funciones físicas en el proceso de soldeo manual siendo las principales la generación de gases y la formación de escorias. La generación de gases se consigue mediante la inclusión en el revestimiento de materiales como la celulosa, carbonato cálcico, dolomita y otros compuestos orgánicos e inorgánicos que por efecto de la temperatura generada por el arco, se descomponen liberando gases, principalmente monóxido de carbono, hidrogeno y vapor de agua. Los gases generados realizan una doble función, por un lado establecen alrededor de la columna del arco una cortina de gas que evita el contacto directo del oxigeno y del nitrógeno del aire con las gotas de metal que se desprenden del extremo del electrodo y la superficie del baño fundido. En segundo lugar, el gas generado experimenta una gran expansión por efecto de calor del arco y contribuye al arranque de las gotas de metal de la superficie del extremo del electrodo y al arrastre e impulsión de las mismas, dándoles velocidad y permitiendo así las soldaduras en posición vertical, cornisa y bajo techo. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 38 La escoria empieza realizando una tarea de protección del metal desde el momento que se forma. La tensión superficial de la escoria fundida, muy inferior a la del acero, hace que se extienda sobre la superficie de este, en el extremo del electrodo, envolviendo las gotas que se desprenden con una delgada capa que le proporciona una protección suplementaria en su recorrido a lo largo de la columna del arco. El baño fundido de halla en un estado de agitación térmica, que permite que las gotas de escoria efectúen un barrido recogiendo las impurezas como óxidos, sulfuros, etc, que se adhieren a las gotas de escoria y son arrastradas hasta la superficie, donde solidifican por tener una temperatura de fusión más elevada que el acero. De esta forma se crea sobre el baño fundido una capa de escoria solidificada que lo protege cuando deja de estar cubierto por los gases que rodean el arco y lo sigue protegiendo cuando se solidifica evitando su contacto con la atmosfera. Una vez la temperatura haya descendido lo suficiente, la escoria sólida se desprende de la solida, por si sola o con ayuda de algún medio mecánico. La escoria la caracterizan tres cualidades físicas. Su punto de fusión, su tensión superficial y su viscosidad. El punto de fusión de la escoria debe ser superior al punto de fusión del metal base, muy útil cuando se suelda en posiciones ascendentes donde la escoria forma una barrera solida que impide el derramamiento del baño fundido. La tensión superficial tiene una importancia fundamental, ya que una tensión superficial muy baja facilita el mojado de la superficie del metal base y la posterior fusión del mismo y su mezcla con el metal de aportación. En cuanto a la viscosidad de la escoria, ésta debe ser controlada. Una viscosidad elevada asegura una buena retención del metal soldado en las soldaduras en posición, pero dificulta el movimiento de la escoria en el seno del baño de fusión en su función de barrido de las impurezas y facilita la retención de la misma en la solidificación. Por el contrario, una viscosidad baja hace la escoria más fluida y facilita el barrido de las impurezas y su expulsión antes de que se produzca la solidificación, pero en las soldaduras en posición la escoria excesivamente fluida se puede desprender en forma de gotas y crear dificultades para retener el baño fundido. iii. Función metalúrgica del revestimiento En su función metalúrgica el revestimiento puede actuar de diversas maneras dependiendo de la naturaleza de sus componentes. Por una parte, los componentes pueden aportar elementos que se incorporan al baño fundido a través de las gotas de revestimiento fundido o escoria. Estos elementos pueden actuar proporcionando a la soldadura determinadas cualidades de ductilidad, tenacidad, resiliencia, etc, que mejoren su comportamiento mecánico a diversos niveles de temperatura. Procesos de soldadura aplicados en la construcción naval 39 También pueden aportar elementos que compensen las pérdidas que el metal soldado sufre por evaporación u oxidación producidas por las elevadas temperaturas generadas en el proceso de soldadura. El revestimiento puede incorporar ciertas cantidades de polvo de hierro y de oxido de hierro, que se alean con el metal fundido aumentando el rendimiento o tasa de deposición de metal de los electrodos cuyo diámetro está limitado por la tecnología de fabricación. Otros componentes del revestimiento actúan como elementos desoxidantes y desulfurantes para eliminar los riesgos de formación de grietas en caliente y de porosidad en el interior, mediante la reacción de dichos elementos con el oxigeno y el azufre presentes en el baño fundido. Finalmente la escoria solidificada sobre el cordón previene el enfriamiento excesivamente rápido del baño, manteniéndolo en estado de fusión durante el tiempo necesario para que salgan a la superficie los gases generados y las impurezas segregadas en el interior. 6.1.6. Tipos de revestimiento Prácticamente en todos los electrodos revestidos se utiliza un acero de la misma composición para la fabricación del alma, por lo cual, lo que caracteriza las distintas clases de electrodo son los revestimientos. Dependiendo de los compuestos que forman parte de los revestimientos y la proporción en que están presentes, los electrodos se comportan de distinta forma. Por tanto, habrá
